多糖类可食性膜在水产品保鲜中的研究进展

汪经邦，谢晶

1(上海海洋大学 食品学院，上海，201306) 2(上海水产品加工及贮藏工程技术中心，上海，201306)3(食品科学与工程国家级实验教学示范中心，上海，201306) 4(江苏中洋生态鱼类股份有限公司，江苏 南通，226600)

水产品具有高水分(70%～80%)和高蛋白(15%～21%)等特点，易受微生物等作用而发生腐败变质。统计表明，每年因腐败变质而导致丧失营养或商用价值的水产品约占全国水产品总量的30%[1]。在保证消费者食用安全的前提下，采用合适的保鲜技术对于保证水产品的品质至关重要。应用于包衣(涂覆或包裹)食品以延长其货架期的任何类型的可食性材料均被认为是可食用膜，其主要以生物大分子为主要基材，辅以添加增塑剂、抑菌剂或抗氧化剂等物质，通过一定的处理工序制作而成。多糖类聚合物作为自然界中生物大分子的重要组成部分，以其作为基材的多糖类可食用膜(polysaccharide edible membrane,PEM)能显著延缓水产品的腐败变质[2]。因此，PEM保鲜技术作为生物保鲜技术的一种，具有易降解性、天然性和高效性等特点，且易与其他技术复合保鲜，已经成为水产品保鲜方式中的研究热点[3]。本文就应用于水产品保鲜的PEM的组成成分、功能特性、改性方式和未来展望等方面展开综述。

1 多糖类可食性膜的组成成分

1.1 成膜基材

PEM的成膜基材主要是纤维素、壳聚糖、海藻提取物、果胶和淀粉，本部分将从不同基材的分子结构、功能特点和成膜机理进行综述，同时，总结其在水产品保鲜中的应用进展。

1.1.1 纤维素

纤维素是目前自然界分布最广泛的多糖类聚合物，主要是由重复的D-吡喃葡萄糖环(失水葡萄糖)单元通过β-1,4糖苷键连接形成的直链高分子聚合物，D-吡喃葡萄糖环的数量取决于物质来源[4]。纤维素单体的多羟基椅式结构易导致其分子内及分子间形成大量氢键，从而导致其内部形成高度有序的晶体，而有序的分子顺序和完整的晶体形状是纤维素具有良好的成膜特性的根本原因。综上所述，以纤维素为基材的PEM具有低成本、无毒无害和易成膜性等特性。JALALI等[5]以龙须菜多糖纤维素为基材制备PEM对鲢鱼进行贮藏保鲜，结果表明：随着贮藏时间的延长，实验组较对照组，单核增生李斯特菌和鼠伤寒沙门氏菌的数量分别减少了4.99和5.08 lg CFU/mL。RAEISI等[6]将含有百日草精油和葡萄籽提取物的纤维素薄膜应用于虹鳟鱼片的保鲜，较对照组，实验组显著延长了虹鳟鱼片的货架期。

1.1.2 壳聚糖

1.1.3 海藻提取物

海藻提取物来源于多细胞海藻，其中藻酸盐和卡拉胶是在水产品保鲜中应用最广泛的2种海藻提取物[24]。藻酸盐是由不同分子量和排列方式的α-D-甘露糖酸(α-D-mannonic acid，M)和β-L-古洛糖醛酸(β-L-guluronic acid，G)组成的水溶性多糖类聚合物，其单体的分子结构式如图2-a。藻酸盐的成膜性质取决于聚合物分子链中的3个嵌段的相对比例(图2-b)。G嵌段是仅包含G单体的嵌段，G嵌段比例越大，其凝胶强度越大。M嵌段仅含有M单体。由G单体和M单体交替组成的MG嵌段决定藻酸盐溶解度的大小。藻酸盐的成膜机理是阳离子(Ca2+等)在M和G嵌段之间建立了缔合，从而形成了一个稳定且有序的三维网络，称为“蛋盒”模型(图3)，最终形成强凝胶聚合物。值得注意的是，虽然Ca2+等阳性离子通过促进交联能改善其成膜性能，但是由于离子的交联速度过快且过程不可逆，可能会形成“局部胶

a-壳聚糖对于G+的抑菌机制;b-壳聚糖对G-的抑菌机制图1 壳聚糖的抑菌机制示意图Fig.1 Schematic diagram of the antibacterial mechanism of chitosan

表1 壳聚糖-PEM在水产品保鲜中的应用Table 1 Application of chitosan-PEM in preservation of aquatic products

凝区域”，影响成膜的均匀性。研究表明，在酸性介质下可以减缓离子的释放速度，此外，pH值越低，抑菌效果越好[25]。卡拉胶是来源于红海藻的多糖类聚合物，其优异的成膜性能主要是由于其具有部分硫酸化半乳聚糖的线链性能[26]。卡拉胶的分子结构式如图2-c所示，主要分为K型、I型和λ型3种类型，不同类型分子的结构和性质差异较大。研究发现，虽然卡拉胶属于水溶性聚合物，但是卡拉胶溶解度取决于其内部硫酸酯的含量，硫酸酯含量越高、溶解度越低。综上所述，海藻提取物来源丰富且价格低廉，此外，由于其成膜后致密的交联结构，以其作为基材的PEM是良好的O2屏障。COSTA等[27]在气调包装贮藏条件下，利用藻酸钠-PEM对牡蛎进行贮藏保鲜，货架期由57 h延长到160 h。ZHANG等[28]以海藻糖和藻酸盐寡糖对太平洋白虾进行贮藏保鲜，显著抑制虾在冻藏过程中的脂质氧化和冰晶的生成，改善保鲜效果。

1.1.4 果胶

果胶是植物细胞壁的主要组成部分，是由具有不同程度甲基化的羧酸残基的α-1，4聚半乳糖醛酸(图4-a)组成的多糖类聚合物[29]。按照结构分类，果胶分子由半乳糖醛酸聚糖(homogalacturonans，HGA)、鼠李半乳糖醛酸聚糖-I(rhamnogalacturonans-I，RG-I)和鼠李半乳糖醛酸聚糖-II(rhamnogalacturonans-II，RG-II)3种多糖结构穿插组成，如图4-c所示，其分子结构分为光滑区和毛发区，HGA位于果胶分子的主链区域，即通过α-1,4-糖苷键连接D-半乳糖醛酸残基组成的平滑区域，RG-I和RG-II结构位于毛发区。其中，HGA的分子结构式如图4-b所示，根据HGA的羧基的甲酯化度(degree of esterification，DE)(图5-c)，分为高甲氧基果胶(high methoxy pectin，HMP)(DE>50%)和低甲氧基果胶(low methoxy pectin，LMP)(DE<50%)，果胶的DE决定其膜液的凝胶特性[30]。其中，HMP在酸性介质下或足够的糖浓度下才会形成凝胶，H+会降低果胶大分子之间的静电排斥作用，增强凝胶效果，而高浓度的糖会破坏胶-水平衡，也会促进HMP形成纤维网络结构。类似于藻酸盐和阳离子之间的作用机理，二价或多价阳离子的存在也是LMP形成凝胶或成膜的先决条件。近年来，果胶-PEM在水产品保鲜中已经得到广泛应用。姚宏亮等[31]将黄秋葵嫩果果胶涂层于新鲜青鱼，货架期由4 d延长到6 d。果胶具有天然性、安全性等特点，但由于缺少抑菌性等其他功能性作用，结合抑菌剂等活性添加剂是目前主要保鲜方式。YE等[32]将添加过抗菌剂的果胶涂层至冷熏鲑鱼片表面上，果胶涂层对于单核增生李斯特菌有较显著的抑制作用。此外，由于果胶聚合分子之间的相互作用，果胶薄膜通常表现出脆度和硬度偏高的缺点，添加增塑剂等物质能提高果胶的成膜性能。

a-藻酸盐(单体);b-藻酸盐的分子链构象;c-卡拉胶(K型、λ型和I型)的分子结构式图2 海藻提取物的分子结构式Fig.2 Molecular structure of seaweed extract

图3 藻酸盐和Ca2+形成的“蛋盒”模型Fig.3 “Egg box” model formed by alginate and Ca2+

a-半乳糖醛酸聚糖的分子结构式；b-果胶多糖的分子结构式；c-果胶类多糖的分子结构模型。图4 果胶的分子结构Fig.4 Molecular structure of pectin polysaccharides

1.1.5 淀粉

淀粉是由脱水葡萄糖残基组成的天然类多糖聚合物。因其具有来源丰富、价格低廉和生物降解性等特性，而被广泛应用于食品包装材料。淀粉粒是淀粉的单元结构，由直链淀粉(amylose，Al)和支链淀粉(amylopectin，Ap)(98%～99%)以及少量的蛋白质、脂质组成[33]。淀粉的分子结构式如图5所示，Al是由α-1,4脱水葡萄糖单元组成的直链聚合物，占整个淀粉粒的20%～25%，主要负责淀粉的成膜性能, Ap是由α-1,6糖苷键连接葡萄糖残基(20%～30%)形成的一种高度支化的短α-1,4链聚合物[34]。

图5 支链淀粉(a)和直链淀粉(b)的化学结构式Fig.5 Chemical structure of amylopectin (a) and amylose (b)

淀粉的成膜步骤是将淀粉和增塑剂等混合于水中并加热以制备透明的糊溶液，由于聚合物链的缔合，冷却后会立即凝胶化，干燥失水后形成淀粉薄膜。淀粉的成膜机制如图6所示，溶液在加热的过程中，淀粉颗粒从半结晶相转变为无定形状态的过程称为糊化。静置冷却，淀粉溶液会逐渐变浑浊，糊化分散体中解离的淀粉分子通过氢键的重新缔合形成更有序的结构，此阶段称为回生。此外，增塑剂等物质也进入淀粉分子内部结构形成化学键。当分子间的相互作用全部结束后，通过溶液中多余水分的蒸发，最终形成淀粉膜。淀粉的回生程度是影响其膜性能的直接因素，研究发现，由于Ap中支链结构的影响，其重新缔合的速度较慢，且Al分子链易于凝沉[35]。因此，应用于水产品保鲜时，应采用Al比例相对较高的植物淀粉作为成膜基材。不同来源的淀粉中Al和Ap的比例见表2，由于玉米淀粉中Al的比例高达26%，故被大量应用于PEM的制备[35]。

表2 不同来源淀粉中直链淀粉和支链淀粉的百分比及淀粉粒度大小Table 2 Proportion of amylose and amylopectin and the granule sizes in common starches

图6 淀粉的成膜示意图Fig.6 Starch film formation schematic

LI等[36]发现冰藏(0 ℃)条件下玉米淀粉(1%)/壳聚糖-PEM能显著延长尼罗罗非鱼的货架期。SIVARAJAN等[37]也发现在10和4 ℃贮藏条件下，丁香/肉桂/玉米淀粉膜使南美白对虾的货架期分别延长了14 和12 d。

1.2 活性添加剂

1.2.1 抗氧化剂

脂质氧化是水产品在贮藏过程中品质下降的重要原因，外界环境中的O2是影响氧化进程的主要因素，例如，水产品罐头内O2的消除是其货架期较长的主要原因之一[24]。PEM的抗氧化能力较弱，故添加抗氧化剂是增强PEM的抗氧化性的主要方式。对于水产品而言，抗氧化剂是指能防止或延缓脂质氧化和延长水产品的货架期的食品添加剂[38]。抗氧化剂主要分为合成抗氧化剂(synthetic antioxidant，SA)和天然抗氧化剂(natural antioxidant，NA)。SA主要来源于人工合成的化学物质，例如丁基化羟基苯甲醚、丁基化羟基甲苯和没食子酸丙酯等，在水产品保鲜的应用中，SA因存在安全隐患正逐渐被NA取代。NA主要来源于天然的植物提取物，主要分为精油类、多酚类和黄酮类等，例如杏子中的儿茶素、西兰花中的抗坏血酸和黑豆中的花青素等。

1.2.2 抑菌剂

腐败微生物是导致水产品变质下降的主要原因之一，直接表现是硫化物、醛、酮、酯和有机酸等物质的产生，此外，GB 10108—2008规定菌落总数是判断水产品是否可接受的主要指标之一，故探究PEM的抑菌性能具有重要意义。然而，除了少数多糖类成膜基材具有一定的抑菌性，例如壳聚糖等，大部分基材的抑菌性能均较弱，因此，添加抑菌剂是赋予其较强抑菌性的主要方式。抑菌剂是指能够抑制微生物(细菌、真菌和病毒等)生长和繁殖的物质[22],根据来源的不同，抑菌剂主要分为合成抑菌剂(synthetic bacteriostatic agent，SBA)和天然抑菌剂(natural bacteriostatic agent，NBA)，SBA因存在潜在的毒副作用逐渐被摒弃。植物提取物(茶多酚和植物精油等)、多肽和细菌素(乳酸链球菌和溶菌酶等)均属于NBA，植物提取物含有萜类和酚类等低分子量化合物能显著抑制腐败微生物的生长，而乳酸链球菌等细菌素具有生物降解性和强抑菌性等特性，在水产品的贮藏保鲜中应用较广泛。

根据不同水产品的优势腐败菌(specific spoilage organisms，SSO)，选择针对性较强的NBA是目前研究的热点。FANG等[39]研究香芹酚对海水鱼的SSO(腐败希瓦氏菌、荧光假单胞菌)的抑菌机理，发现香芹酚的抑菌效果显著，在进一步的研究中，将香芹酚作为抑菌剂添加到藻酸钠/亚麻籽胶复合膜中对，鲈鱼贮藏保鲜进行研究，发现该功能性复合膜能显著延缓贮藏过程中鱼肉TVB-N的升高，延长鲈鱼的货架期。然而，大部分NBA的提取成本均过高，如何在保证安全性的同时，降低其成本已成为其产业化首要考虑的问题之一。

1.3 增塑剂

PEM中常见的增塑剂主要以多元醇为主，包括山梨醇、聚乙二醇和甘油等增塑剂。增塑剂作为嵌入高聚物内部结构的小分子物质，主要通过同基材大分子间形成化学键及降低分子间作用力来增加聚合物链的移动性和成膜基材的柔韧性[40]。增塑剂的添加量对PEM的成膜效果影响较大，在保证食品安全的前提下，一般采用响应面等实验方法确定最佳添加量，李彪等[41]通过响应面法确定壳聚糖/香榧假种皮精油复合涂膜中的甘油、壳聚糖和精油体积分数分别为2.14%、2.01%和0.7%。值得注意的是，不同种类增塑剂的差异较大，成膜基材需根据其成膜特点选取增塑剂，例如甘油对PEM的机械性能影响较大，而山梨醇和聚乙二醇对其阻隔性能有显著影响。表3归纳了常用添加剂和增塑剂在水产品多糖类可食性保鲜膜中的应用。

表3 常用添加剂和增塑剂在水产品多糖类可食性膜中的应用Table 3 Application of common additives and plasticizers in edible films of aquatic polysaccharides

2 多糖类可食性膜的主要物理性质

2.1 阻隔性能

可食性膜的阻隔性能是指防止环境与被包裹食品之间发生水蒸气、O2、CO2和芳香成分等物质的迁移，延长食品的货架期[43]。环境中的O2易导致鱼肉发生脂质氧化，而水分是决定微生物和各种腐败反应活性的重要因素之一，故PEM的阻隔性能对水产品的保鲜效果影响显著。水蒸气渗透率(water vapor permeability，WVP)是对水蒸气的阻隔性能进行量化的常用指标。常采用“杯式法”测定，将干燥剂放入已知开口面积为A的杯皿中(环境温度和相对湿度不变)，将待测膜(厚度为d)密封杯皿开口后，称量组件的质量m1，经过时间t后，再次称重m2，根据公式(1)计算WVP值：

(1)

PEM的WVP值均较高，通常需要降低其WVP以提高保鲜效果，而基材和添加剂的种类等因素均会影响WVP，总体而言，壳聚糖-PEM比果胶-PEM的WVP值普遍较低，而高DA的壳聚糖-PEM比低DA的WVP高，上述现象可能是因为聚合物链中羟基含量越多，膜的亲水性越强[37]。VSCONEZ等[44]发现木薯淀粉有助于降低壳聚糖-PEM的WVP，可能是因为淀粉和壳聚糖之间的氢键相互作用降低了亲水基团的利用率，而柠檬酸有助于降低淀粉-PEM的WVP，亲水性基团(-OH)易被疏水性酯基团取代。此外，山梨醇等添加剂有助于降低藻酸钙-PEM的WVP，而蜂胶等脂类物质对降低纤维素-PEM的WVP效果显著。同WVP相比，O2透过率(oxygen transmission rate，OTR)的测定相对较少，常利用气体透过性测试仪采用“压差法”测定，制备条件对OTR影响较大，间接影响薄膜的抗氧化能力。

2.2 机械性能

评价PEM的机械性能的主要指标是断裂伸长率(elongation at break，EAB(E%))和抗拉伸度(tensile strength，TS)，机械性能的提高是降低环境条件对水产品的机械伤害、有效隔绝O2和水蒸气以及延长PEM使用期的有效保证。E%是指PEM断裂之前的最大伸长率，而TS则表示PEM断裂之前能承受的最大应力，常采用物性测试仪测定，分别根据公式(2)、(3)计算:

E%=100-(l-l1)/l1

(2)

式中：l和l1分别表示初始长度和断裂临界长度。

TS=F/(L·x)

(3)

式中：F，临界拉力;L，膜宽度;x，膜厚度。

理论来说，壳聚糖-PEM的DA越高且pH越低，其机械性能越好，但NA等[19]发现高DA的壳聚糖膜对pH的变化较敏感，且考虑壳聚糖在酸性条件下才具有较强的抑菌效果，其成膜溶液的酸度剂(调节pH)的种类和用量需要慎重选择，以柠檬酸、甲酸或乳酸制备的壳聚糖PEM的TS均较差，通常选择乙酸或丙酸作为酸度剂。此外，在壳聚糖中添加木薯淀粉有助于降低壳聚糖-PEM的WVP，但是对其机械性能无明显影响。对于淀粉薄膜而言，Al含量比例较高的PEM的机械性能较好，但是当增塑剂(甘油等)质量分数大于15%时，较低或较高比例直链淀粉-PEM均表现出较强的TS。虽然脂质对改善PEM的阻隔性能效果显著，但是它们对机械性能可能产生负面影响，MA等[45]发现当油酸质量分数由0%增加至20%时，卡拉胶-PEM的TS反而从57.4 MPa下降至26.8 MPa。在藻酸盐-PEM的研究中，相对湿度对膜的机械性能影响较大，可能是因为藻酸盐是亲水性多糖聚合物，水分在成膜过程中扮演“增塑剂”的角色[46]。

3 多糖类可食性膜的改性方式

3.1 改变组成

3.1.1 添加辅助添加剂

单独以多糖类基材制备的PEM的性能均较差，且水产品易受微生物和脂质氧化的作用而发生腐败变质。活性添加剂能增强PEM相应的抗氧化性和抑菌性等功能，而增塑剂能改善其机械性能和阻隔性能，提高膜的柔软性和隔绝O2、水蒸气的能力。OLIVAS等[46]分别以果糖、甘油、山梨醇和聚乙二醇作为增塑剂添加到藻酸钙-PEM中，甘油的塑化效果最佳，膜的TS和E%均最高，且TS随甘油含量的增加而降低，而E%随甘油含量的增加而增加。ABDORREZA等[47]将山梨醇和甘油为塑化剂添加到淀粉膜中，探究增塑剂的适配比。研究表明,山梨醇比甘油更有利于机械性能的增强，且体积比为1∶3的甘油-山梨醇复合塑化剂的增塑效果最佳。因此，在考虑经济成本的前提下，复合增塑剂对膜机械性能的改善往往优于单一增塑剂的使用效果。

3.1.2 采用复合膜

成膜材料选择的主要依据是目标食品的生理生化特性，选择合适的膜材料，并且辅以适合的增塑剂复配成膜。而单一的多糖类基材成膜往往具有局限性，且考虑水产品易腐败变质的特殊性，选择多种成膜基材可提高膜的适用性[31]。FATHIMA等[48]采用流延法制备聚乳酸(淀粉原料制成)/壳聚糖-PEM，并添加聚乙二醇为增塑剂，研究表明聚乳酸与壳聚糖结合能制成具有良好机械、阻隔和抑菌性能的薄膜，在冷藏条件下，经过聚乳酸(质量分数1%)/壳聚糖-PEM包装的印度白虾的货架期由15 d延长至18 d。此外，多糖类基材中也可以添加蛋白质或脂质进行复配成膜，不仅可以强化膜的机械性能，而且还能提高阻隔性能等其他性能。LALEHAN等[49]分别将橄榄油、玉米油、葵花籽油、黄油和动物油脂等5种不同的油脂添加到壳聚糖膜中，与不含油脂的壳聚糖膜相比，橄榄油/壳聚糖-PEM具有更好的热稳定性、TS和E%，此外，其抑菌效果也最佳，该复配膜对水产品具有良好的应用前景。

3.2 改变成膜工艺

PEM通过调整成膜基材溶液的浓度，确定塑化剂的类型与含量，均质搅拌后形成成膜溶液。研究发现，部分溶液的pH值对其成膜后的机械性和阻隔性等性能的稳定性影响显著，此外，在水产品的应用中，成膜溶液的pH值对PEM的抑菌效果也具有一定的影响，故有时需要对膜液进行酸修饰。VIMALADEVI等[50]发现有机酸(乙酸和丙酸)有助于增强壳聚糖-PEM的机械性能，提高其WVP和OTR等阻隔性能。此外，均质的时间及均质时温度的控制对后续成膜的均一性有显著影响，不同成膜溶液的性质各异，需要确定其最佳均质条件。

近年来，基于纳米技术(添加纳米填料)的新型改性方式已经成为研究热点。最常见的多糖纳米填料是纤维素、淀粉和壳聚糖。DOGAN等[51]在纤维素成膜溶液中添加纤维素纳米颗粒，有效改善其机械性能，TS从(29.7±1.6)MPa增加到(70.1±7.9)MPa。此外，膜的微观结构表明纳米颗粒在结构中均匀地分布并且降低表面的粗糙度。这些研究结果均表明纳米颗粒对多糖类聚合材料的增强作用显著，制备的纳米复合薄膜性能优良，相比单一的多糖类薄膜，其TS、E%等机械性能和WVP、OTR等阻隔性能都有所加强，为开发应用于水产品的贮藏保鲜的新型PEM提供理论依据。

4 结语

水产品含有丰富的蛋白质和脂肪酸，但易腐败变质，PEM相比于塑料包装，具有生物降解性、天然性、丰富性和易成膜性等特点，在水产品的贮藏保鲜中具有广泛的市场前景。然而，在考虑安全性、高效性的同时，经济效益是影响市场应用的主要因素之一，如何降低实际生产中的成本是今后需要研究的重点之一。因此，未来可以考虑以加工副产物提取物作为PEM中的活性添加物，例如，利用生产番茄酱后剩余的番茄籽提取物和生产葡萄酒后剩余的葡萄籽提取物等物质作为活性添加剂，既能保证抑菌性或抗氧化性能，也能提高经济效益，具有广阔的发展前景。此外，随着微胶囊技术的发展，结合纳米技术，以多糖类纳米颗粒为壁材包埋抗氧化剂或抑菌剂等物质制备的微胶囊作为添加剂，不仅有助于提高膜的透明度，而且会增强活性添加剂在PEM中的缓释效果。